In this study, a two-dimensional, three-velocity particle-in-cell/Monte Carlo collision model is employed to systematically investigate the beam transport of high-energy negative ion beams in a gas target neutralization chamber. Owing to the high charge density of high-energy negative ion beams, the space-charge-induced electrostatic repulsion induces pronounced beam divergence during transport. Under appropriate conditions, however, collisions between beam particles and the background gas produce a large number of electrons and ions. These charged particles gradually accumulate in the vicinity of the beam and effectively screen the self-generated electrostatic field of the beam, leading to the establishment of space charge compensation (SCC) and a significant improvement in beam collimation. Notably, the formation of SCC requires a finite time interval, during which the beam still exhibits pronounced divergence before SCC is fully established. Accordingly, a theoretical expression for the build-up time of SCC () is derived, which depends on the background gas density, beam energy, relevant collisional cross sections, and neutralization efficiency. The theoretical predictions show good agreement with the simulation results, validating the accuracy of the model. In addition, the results indicate that when the generation rate of compensating ions is sufficiently high, the system may enter the overcompensation regime, giving rise to periodic oscillations of the space potential. Furthermore, the formation process of SCC and the corresponding beam transport characteristics are systematically analyzed under different background gas pressures and incident beam energies. The beam width decrease at lower beam energies (<1000 keV) and relatively higher background gas pressures, as SCC can be established more effectively under these conditions.
本研究では、二次元・三速度のparticle-in-cell/Monte Carlo衝突モデルを用いて、ガスターゲット中和チェンバー内における高エネルギー負イオンビームのビーム輸送を系統的に調査した。高エネルギー負イオンビームの高い電荷密度により、空間電荷誘起静電反発は輸送中に顕著なビーム発散を引き起こす。しかし、適切な条件下では、ビーム粒子と背景ガスとの衝突により多数の電子とイオンが生成される。これらの荷電粒子はビーム近傍に徐々に蓄積し、ビームの自己生成静電場を効果的に遮蔽する。これにより、空間電荷補償(SCC)が確立され、ビームのコリメーションが大幅に改善される。特に、SCCの形成には有限の時間間隔が必要であり、SCCが完全に確立されるまでの間、ビームは依然として顕著な発散を示す。そこで、SCCの形成時間()の理論式を導出した。この式は、背景ガス密度、ビームエネルギー、関連する衝突断面積、および中和効率に依存する。理論予測はシミュレーション結果と良い一致を示し、モデルの精度を検証している。さらに、結果は、補償イオンの生成率が十分に高い場合、系が過補償領域に入り、空間電位の周期的振動が発生する可能性があることを示している。さらに、異なる背景ガス圧力および入射ビームエネルギー条件下でのSCCの形成過程と対応するビーム輸送特性を系統的に分析した。ビーム幅は、より低いビームエネルギー(<1000 keV)および比較的高い背景ガス圧力で減少する。これは、これらの条件下でSCCがより効果的に確立されるためである。